[发明专利]一种自支撑复合电极

说明书

一种自支撑复合电极，属于电化学储能领域。所述的复合电极在垂直于复合电极表面的方向贯穿有阵列通孔结构，复合电极由碳纳米片与电化学储能活性材料构成的复合纳米片组成，其中，碳纳米片构成复合电极导电支撑骨架，非碳的电化学储能活性材料沉积在碳纳米片表面，所述的复合纳米片在垂直于复合电极表面方向层层堆垛。本发明的优点是：阵列垂直通孔结构为电解液中的离子提供了通畅的扩散通道，极大缩短了电解液中的离子在电极中的扩散距离。拥有这种阵列通孔结构的碳纳米片与电化学储能活性材料的复合致密电极兼顾具有高倍率性能、高面积比容量和高体积比容量。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，尤其涉及一种自支撑复合电极。

背景技术

随着电子产品的高速发展，对电化学储能器件的性能提出了更高的要求，希望用更小体积的器件储存更高的能量，即具有高体积能量密度。高致密度电极是实现高体积能量密度电化学储能的重要一环。

目前，碳纳米片与各种电化学储能活性材料的复合纳米片(简称为碳/活性材料复合纳米片)电极能够实现良好的倍率性能和非常高的质量比电容，然而由于堆积密度低，单位体积复合纳米片电极中含活性物质较少，难以获得高体积能量密度的储能器件。让碳/活性材料复合纳米片沿电极表面方向平行堆垛，并在与纳米片平面垂直方向上进行机械压实，可显著提高碳/活性材料复合纳米片电极的密度，但是由于平铺堆垛的碳纳米片平面与正负电极之间的电场方向垂直，电解液中的离子在电极内的扩散过程中需要绕过平铺堆叠的碳纳米片层，扩散路径曲折，扩散距离显著加长，充放电时碳/活性材料复合纳米片平面严重阻碍电解液中离子的扩散，加剧极化，会显著降低电极的倍率性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决平行于电极表面方向堆垛的碳/活性材料复合纳米片平面严重阻碍电解液中离子扩散，并由此导致倍率性能下降的问题，提供一种在垂直于复合电极表面方向上贯穿有阵列通孔的自支撑复合电极。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种自支撑复合电极，所述的复合电极在垂直于复合电极表面方向贯穿有阵列通孔结构，复合电极由碳纳米片与电化学储能活性材料构成的复合纳米片组成，其中，碳纳米片构成复合电极导电支撑骨架，非碳的电化学储能活性材料沉积在碳纳米片表面，所述的复合纳米片在垂直于复合电极表面方向层层堆垛。

进一步地，所述垂直于复合电极表面的阵列通孔结构的通孔直径在0.2～50μm范围内，每相邻两个通孔之间的距离在1～800μm范围内。

进一步地，所述碳纳米片的厚度满足：100nm≥碳纳米片的厚度≥单层石墨烯片的厚度，碳纳米片平面方向尺寸≥50nm。

进一步地，所述碳纳米片在复合电极中的重量百分含量满足：99％≥重量百分含量≥1％。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

(1)本发明通过在碳纳米片/电化学储能活性材料复合纳米片致密电极中营造垂直于电极表面的阵列通孔结构，为电解液中的离子提供从电极表面到电极底部的自由扩散通道，使得电解液中的离子在电极内部扩散路径变短，能提升电极的倍率性能。即使当碳纳米片/电化学储能活性材料复合纳米片的电极较厚时，电解液中的离子依然可以途经垂直通孔快速扩散进出电极内部，电极的放电比容量不会随着电极厚度的增加而迅速衰减，有利于使电极同时具有高倍率性能、高面积比容量和高体积比容量。

(2)电极设计成以碳纳米片为骨架的自支撑结构，避免使用常规电极制备工艺中的粘结剂、导电剂和金属集流体，减少了非活性物质的占比，增加了活性物质在电池结构中的质量占比，有利于提升电池的重量比能量。

附图说明

图1为本发明的自支撑复合电极结构示意图；

图2为实施例1中石墨烯/TiO₂复合纳米片自支撑复合电极的扫描电镜图；